高速泵機械密封泄漏原因分析及處理

曾登林 肖文剛 馬風(fēng)龍 沙輝 蘇家軍

摘 要：某化工廠某裝置丙烯進(jìn)料泵為勝達(dá)因生產(chǎn)立式高速泵 ，自開工以來一直存在機封泄漏后頻繁返修的現(xiàn)象 ，通過對其機械密封端面比壓的核算與分析 ，找到了密封失效的原因 ，有針對性地對其進(jìn)行改造 ，收到良好效果。

關(guān)鍵詞：高速泵;機械密封;介質(zhì)側(cè)機封;泄漏;端面比壓

引言

某石化公司某裝置丙烯進(jìn)料泵為本裝置提供原料 ，該泵對于整個裝置極為重要 ，反應(yīng)所用的液態(tài)丙烯全部都由其供給。該泵自 2009年投用以來，介質(zhì)端機封一旦發(fā)生泄漏，就需要多次反復(fù)檢修才能運行正常。最近一次密封泄漏故障，前后經(jīng)過5次的檢修、分析、論證才找到泄漏原因 ，徹底根治。

1 ?設(shè)備簡介

某裝置丙烯進(jìn)料泵為日本圣達(dá)英制造立式高速泵，介質(zhì)為液相丙烯，由電機、增速箱、泵體、強制潤滑系統(tǒng)、密封系統(tǒng)等部分組成。電機轉(zhuǎn)速2960r/min，增速箱為二級齒輪增速 ，輸入軸轉(zhuǎn)速（即電機轉(zhuǎn)速）為 2960r/min ，輸出軸轉(zhuǎn)速 10709r/min。

增速箱兩軸封采用了不同的形式，輸入軸軸封為唇形密封（橡膠骨架唇封），輸出軸軸封為機械密封;輸出軸機械密封由三套機械密封串聯(lián)組成，分別密封增速箱潤滑油，保護(hù)白油和液相丙烯。增速箱潤滑油壓力約為0.5MPa，保護(hù)白油罐壓力約為0.05MPa，液相丙烯壓力約為3.5MPa。

2 ?密封泄漏原因分析

該設(shè)備自運行以來，一旦機械密封發(fā)生泄漏就需要多次反復(fù)檢修才能正常運行，最近一次前后進(jìn)行了5次的檢修，每次灌泵正常，試運行均發(fā)生泄漏，工況沒有任何變化，由此推斷，機械密封靜密封點正常，問題出在動密封上，而且每次都是介質(zhì)側(cè)泄漏，因此對介質(zhì)側(cè)機封摩擦副進(jìn)行綜合分析。機械密封之所以能夠起密封作用是由于機械密封端面間存在著液膜，而液膜的形態(tài)又決定了密封的效果。如果密封端面存在著氣液混相，而端面膜一旦發(fā)生相變，會導(dǎo)致端面貼合不穩(wěn)。高速泵的轉(zhuǎn)速較高，端面的相對速度較大，摩擦熱使介質(zhì)中的輕組分首先汽化，即有大量的氣泡產(chǎn)生，從而造成汽蝕磨損。磨損了的端面摩擦熱進(jìn)一步增大，汽化加劇，密封端面很快磨損失效， 發(fā)生泄漏。

2.1.介質(zhì)側(cè)機械密封彈簧比壓核算

該泵在前四次拆檢中，介質(zhì)側(cè)動靜環(huán)摩擦副未發(fā)現(xiàn)磨損痕跡，說明該泵運行時介質(zhì)側(cè)機封開啟力大于閉合力。很顯然，要使密封處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，就必須保證端面液膜的穩(wěn)定，關(guān)鍵參數(shù)就是端面比壓，為此對介質(zhì)側(cè)密封的端面比壓進(jìn)行核算，介質(zhì)側(cè)密封數(shù)據(jù)如圖1.

1.機封座 2.彈簧 3.壓板 4.楔形四氟圈 5.卡環(huán) 6.石墨環(huán)

介質(zhì)側(cè)密封結(jié)構(gòu)為內(nèi)裝高背壓、滑動式，平衡型，小彈簧材質(zhì)是不銹鋼316，圓柱螺旋壓縮彈簧，數(shù)量8個，具體參數(shù)如表1。

彈簧的剛度k（N/mm）系數(shù)計算公式如下：

K=（1）

式中G—切變模量，D2—彈簧中徑，C—彈簧指數(shù)，d—彈簧線徑， n—彈簧有效工作圈數(shù)

其中G=71000MPa，D2=3.9mm，C=3.9/0.6=6.5，d=0.6mm，帶入（1）式得：

k=6.46N/mm

彈簧彈力Fs（N）計算公式如下：

Fs=mkx（2）

式中k—彈簧剛度，x—彈簧工作變形量，m—工作彈簧數(shù)量，

其中介質(zhì)側(cè)機封補償環(huán)彈簧的預(yù)壓量為1.25mm，工作壓縮量為2.8mm，所以x=4.04，m=8，帶入式（2）得

Fs=mkx=208.9N

密封摩擦副接觸環(huán)帶面積，計算公式如下：

A=（3）

式中A—密封環(huán)帶面積，d1—密封環(huán)帶內(nèi)徑，d2—密封環(huán)帶外徑（mm）

其中d1=38.9mm，d2=45.5mm，π=3.14，帶入式（3）得：

A=437.276mm2

介質(zhì)側(cè)機封彈簧比壓公式計算如下：

式中：Ps—密封環(huán)帶壓力（N/mm2）

其中Fs=208.9N，A=437.276mm2，帶入式（4）得：

Ps=0.478MPa，

2.2 介質(zhì)側(cè)機械密封端面比壓的計算

介質(zhì)側(cè)機封端面比壓載荷系數(shù)K1，其計算公式如下：

K1=（5）

式中：K1—載荷系數(shù)，d1—密封環(huán)帶內(nèi)徑，d2—密封環(huán)帶外徑，db—滑移直徑

其中d1=38.9mm，d2=45.5mm，db=41.34mm，代入式（5）得：

K1=0.6485

端面比壓公式計算如下：

Pc=Ps+P（P1-λ）（6）

其中白油罐的壓力約為0.05MPa，介質(zhì)壓力P=3.346-0.05=3.3MPa，液態(tài)輕烴的反壓系數(shù)λ一般取0.70～0.75，在此取中間數(shù)0.725，將以上計算值式（5）得：

Pc=0.478+3.3（0.6485-0.725）=0.2256MPa

2.3 介質(zhì)側(cè)機封端面比壓的標(biāo)準(zhǔn)

該泵介質(zhì)為40°液相丙烯，運行中動靜環(huán)摩擦生熱，導(dǎo)致其飽和蒸氣壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于相同溫度下水的飽和蒸氣壓，如表2：

液相丙烯的粘度遠(yuǎn)低于水，且動靜環(huán)材料分別為石墨和硬質(zhì)合金，內(nèi)裝式機封，根據(jù)Pc值的設(shè)計數(shù)據(jù)表（表3），丙烯進(jìn)料泵介質(zhì)側(cè)機封的端面比壓Pc=0.2256MPa小于0.3MPa，所以該泵灌泵正常、啟動后出現(xiàn)泄漏。

校核介質(zhì)側(cè)機封摩擦副PcV值，丙烯進(jìn)料泵介質(zhì)側(cè)機封端面面比壓Pc=0.2256MPa，密封環(huán)帶線速度V==7.532m/s，PcV=1.7MPa·m·s-1 ，根據(jù)材質(zhì)許用[PcV]值數(shù)據(jù)表（表4）PcV=1.7MPa·m·s-1 < [PcV]，符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.介質(zhì)側(cè)機械密封改造方案

根據(jù)端面比壓的計算公式Pc=Ps+P（P1-λ）可知，該泵介質(zhì)側(cè)補償環(huán)彈簧的總壓縮量為3.4mm，實際安裝壓縮量2.8mm達(dá)到極限，介質(zhì)的反壓系數(shù)無法更改，所以只能調(diào)整機械密封腔室的介質(zhì)壓力P和載荷系數(shù)K1。

由表3 Pc值的設(shè)計數(shù)據(jù)和介質(zhì)側(cè)端面比壓的計算公式（6）Pc=Ps+P（K1-λ）推導(dǎo)，0.3

將Ps=0.478MPa，P=3.3MPa，λ=0.725，代入式（6）得K改=0.7317。

將K改=0.7317，d2=45.5mm，db=41.34mm，代入式（5）得d1=39.7mm。

通過上述計算和技術(shù)人員現(xiàn)場核對討論，確定處理方案為：車削介質(zhì)側(cè)補償環(huán)內(nèi)徑，使內(nèi)徑d1值從38.9mm擴大到39.7mm，改造后尺寸如圖2。在實際應(yīng)用中輕烴泵機封閉合力和開啟力的比值必須大于1.1。改造后介質(zhì)側(cè)閉合力Ps+K改P與開啟力λP的比值為1.209，符合輕烴泵運行標(biāo)準(zhǔn)。

4 ?結(jié)論

改造后，截止本文發(fā)布已運行17000小時左右，機械密封無泄漏。本文針對高速泵機械密封泄漏查找出端面比壓不達(dá)標(biāo)的缺陷，通過查校核計算，最終確定通過車削密封環(huán)內(nèi)徑的方案，增大端面比壓使其符合輕烴泵運行標(biāo)準(zhǔn)，收到了良好效果，延長了高速泵的穩(wěn)定運行周期，徹底消除了危險介質(zhì)存在泄漏帶來的安全隱患，對解決工況相似設(shè)備的泄漏問題有一定的參考價值。

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